Растения контролируют целостность барьера через восприятие диффузии газов

Юридические новости Интервью с лидерами отрасли

Защита от внешних угроз — одна из важнейших задач живых организмов, включая растения. Несмотря на кажущуюся неподвижность, растения постоянно взаимодействуют с окружающей средой, и для поддержания жизнедеятельности им необходимо не только создавать эффективные барьеры, но и контролировать их целостность. Современные исследования раскрывают новый оригинальный механизм, благодаря которому растения отслеживают повреждения своих барьерных тканей за счет восприятия распространения газов, таких как этилен и кислород. Барьерные ткани у растений представляют собой сложные многокомпонентные структуры, среди которых перидерма занимает особое место. Она формируется в ходе вторичного роста у многих семенных растений и служит защитным слоем, предотвращающим потерю воды и препятствующим проникновению патогенов.

Перидерма состоит из нескольких слоев клеток — пеллемы (пробки), пеллогена и пеллодермы, при этом наружный слой — пеллема — формирует главный физический барьер за счет отложения в клеточных стенках веществ, таких как лигнин и суберин. Главная проблема, с которой сталкивается перидерма, — это повреждения механического происхождения. Трещины, срезы или повреждения вследствие внешних факторов нарушают её целостность, создавая пути для потери влаги и вторжения патогенов. Поэтому для растений жизненно важно своевременно обнаруживать нарушения и запускать процессы регенерации барьерных тканей. Ученые проводят эксперименты на модели растения Arabidopsis thaliana (репейник), демонстрируя, что именно газовая диффузия стимулирует процесс восстановления поврежденного барьера.

В частности, выяснено, что повреждение перидермы приводит к утечке этилена наружу и проникновению кислорода вглубь ткани. Эти изменения в концентрации газов инициируют специальный сигнальный каскад, способствующий регенерации поврежденных тканей. Этилен является одним из ключевых фитогормонов, регулирующих множество процессов в растениях, включая рост, развитие и стрессовые реакции. Под обычным состоянием перидерма блокирует диффузию этилена, за счет чего внутри тканей накапливается этот газ. При повреждении барьера происходит обратный эффект: этилен начинает выходить наружу, снижая свою концентрацию внутри, а кислород проникает в поврежденную область, изменяя уровень оксигенации тканей.

В результате снижения сигнального этилена в корневых тканях активируется процесс восстановления перидермы. Учёные применяли комплекс репортерных генов, направленных на отслеживание активности ключевых маркеров, например генов, связанных с образованием пеллемы и клеточным делением, чтобы визуализировать динамику процесса. Исследования показали, что в первые часы после травмы активируются гены, указывающие на формирование новых клеток пробки, далее следуют деления клеток, которые восстанавливают генеративную ткань — пеллоген, и наконец происходит дифференцировка клеток с отложением лигнина и суберина, что восстановливает полноценный барьер. Выяснилось, что искусственное повышение этиленового сигнала с помощью обработки его предшественником — ACC (1-аминциклопропан-1-карбоновой кислотой) — подавляло выраженность маркеров регенерации и мешало нормальному формированию суберинизированных клеток-пробки. Аналогичный эффект наблюдался и при применении самого этилена.

Таким образом, высокий уровень этиленового сигнала препятствует восстановлению перидермы, что соответствует естественному механизму, при котором при нарушении целостности ткани этиленовая концентрация снижается благодаря выходу газа наружу через повреждение. Дополнительно ученые рассмотрели роль кислорода, исходя из предположения, что внутренние вторичные ткани из-за низкой газопроницаемости находятся в состоянии физиологической гипоксии. Когда происходит травма, кислород начинает проникать внутрь, уменьшая гипоксические сигналы и способствуя регенерации. Этот вывод был подтвержден использованием репортерных линий, реагирующих на гипоксию, а также измерениями непосредственно уровня кислорода в тканях. При повреждении и нарушении барьера гипоксия ослабевает, что является одним из ключевых сигналов для запуска восстановительных процессов.

Оба сигнала — снижение этиленового и ослабление гипоксического — оказывают аддитивное влияние, усиливая регенеративные механизмы. Если же оба сигнала удерживаются искусственно на высоком уровне, перидерма не восстанавливается, а процессы идут со сбоями, что подтверждает важность координации этих сигналов в оценке целостности барьера. Примечательно, что восстановление барьера сопровождается обратным восстановлением исходных концентраций газов, что сигнализирует о завершении восстановления и остановке регенерации. При возобновлении герметичности ткани этилен снова начинают накапливаться внутри, а кислород становится дефицитным, восстанавливая прежний физиологический статус. Механизм восприятия изменений в уровне газов не ограничивается только корневыми тканями с перидерминой.

Аналогичные процессы зафиксированы и на уровне стеблей Arabidopsis, где вместо перидермы главным защитным барьером служит эпидермис с восковым покрытием (кутикулой). При повреждении эпидермиса также происходит ускоренное образование пробкообразных слоев, в том числе с участием суберинообразования. Секреция этилена сопровождает и этот процесс, хотя роль кислородного сигнала в стеблях менее выражена по сравнению с корнями. Тем не менее, перекрытие повреждений воском или ланолином, препятствующее газообмену, подавляет процессы регенерации и активацию соответствующих генов, что свидетельствует о важности газового сигнала как универсального механизма контроля целостности растительных барьеров. Эти открытия имеют фундаментальное значение для понимания механизмов адаптации и регенерации у растений.

Они раскрывают уникальную стратегию слежения за барьерными тканями — не посредством чувствительных к травме рецепторов или локальных пептидных сигналов, а через простые физические изменения в диффузии газов. Это позволяет растению быстро оценить состояние целостности тканей и включить или выключить процессы восстановления в соответствии с реальным повреждением. Понимание этих механизмов открывает новые перспективы для сельского хозяйства и биотехнологий. Например, улучшение способности растений к скорейшей регенерации барьерных структур может повысить устойчивость к патогенам и неблагоприятным условиям. Также производство корковой пробки у некоторых видов деревьев имеет экономическую ценность — изучение ее регенерации и контроля целостности может способствовать развитию методов повышения качества и количества коркового сырья.

Кроме того, данный механизм газового восприятия у растений перекликается с известными сигналами в ответ на затопление или уплотнение почвы, когда этилен и кислород выступают в роли индикаторов измененной окружающей среды. Это свидетельствует о широком распространении принципа восприятия газовых изменений как ключевого адаптивного инструмента. В будущем исследователи планируют досконально изучить дополнительные компоненты и взаимодействия, участвующие в пространственной регуляции перидермы, а также выяснить, каким образом газовые сигналы интегрируются с локальными сигнальными молекулами, гормонами и механическими факторами. Для практического применения предполагается разработка биомаркеров и систем мониторинга для контроля состояния растительных барьеров в агротехнических условиях. Таким образом, растения обладают удивительной способностью не только создавать защитные барьеры, но и постоянно «контролировать» их целостность, используя механизм, основанный на восприятии диффузии газов.

Этот эволюционно отточенный механизм обеспечивает оптимальное распределение ресурсов на восстановление и адаптацию, поддерживая выживаемость и здоровье растений в постоянно меняющемся окружении.